地化所联合北大对橄榄石中微量元素硼的地球化学行为研究取得新进展

　　硼是地幔中的重要示踪剂元素，但在物质深俯冲过程中硼的地球化学行为并没有得到很好的限定。橄榄石与熔体共存时，硼大量分配进入熔体，使得大部分天然橄榄石硼含量极低（< 0.5 wt ppm），在上地幔部分熔融过程中硼曾一度被认为是高度不相溶元素，因此硼对橄榄石的影响通常被忽略。然而，近年来，确有较高含硼浓度（23-2100 wt.ppm）的橄榄石被发现。同时高温高压实验合成的橄榄石中也探测到了较高的硼浓度（42-737 wt.ppm）。另外，近期过渡带发现的富硼金刚石也表明，硼源可能存在于整个上地幔深度范围。因此，硼可能是橄榄石的潜在关键成分，橄榄石可能是富硼环境中硼重要的寄主矿物，了解硼与橄榄石的相互作用至关重要。

　　中国科学院地球化学研究所张飞武研究员团队的博士后Joshua Muir与北京大学地球与空间科学学院刘曦研究员团队的研究生陈玉滢合作开展了硼在橄榄石中的相溶性研究。研究结果表明橄榄石中的结构水对稳定硼元素具有重要的地球化学作用，并揭示了幔源岩石中富硼橄榄石比以往所认为的更加普遍，B-Si-H耦合替代在富硼橄榄石中是一种重要的氢结合机制，在橄榄石晶体结构中能够稳定存在。相关成果发表在JGR Solid Earth上。

　　该研究的理论地球化学计算结果显示，在没有氢的情况下，B³⁺取代了由氧空位平衡的Si⁴⁺，硼的引入增加了氧扩散速率。在有氢存在的情况下，存在两种B-H缺陷，在低温下硼以平面BO₃“缔合”形成B-Si-H耦合替代；而在高温下，硼以BO₄四面体存在，氢呈游离态存在，形成“解离”B-Si-H形式。B-Si-H耦合替代结构十分稳定，并随压力、温度、SiO₂活度和Fe变化始终保持稳定。因此，橄榄石作为载体能够将硼带入地幔深处。 

 

 

　　研究还发现橄榄石的水溶解度与硼含量呈线性相关。在高温下，氢呈现游离态自由存在于橄榄石的晶体结构中，导致橄榄石电导率大幅上升。该研究对低温下红外光谱进行了预测，理论计算与实验结果的一致。而在高温下，理论研究表明3000–3600 cm^-1区域内并没有明显的光谱信号，此时传统的含水橄榄石红外测定方法将不再适用。

　　该研究完善了我们对名义上无水矿物中水微观效应机制的认识，为地幔中硼元素分布、硼同位素示踪等研究带来重要启示。研究得到了国家自然科学基金、贵州省科学技术基金和中国科学院战略性先导科技专项（B类）的联合资助。

 

 

    论文信息：Muir, J. M. R., Chen, Y., Liu, X., & Zhang, F. (2022). Extremely stable, highly conductive boron-hydrogen complexes in forsterite and olivine. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127 (6), e2022JB024299. https://doi.org/10.1029/2022JB024299

　　原文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JB024299